Development of an unstructured Finite Volume Level Set Method in OpenFOAM

This master thesis presents the development and application of a Finite Volume Level Set Method for simulating two-phase flows on unstructured meshes within the OpenFOAM Computational Fluid Dynamics (CFD) framework. The proposed method focuses on incompressible, immiscible, non-reactive, isothermal, two-phase Newtonian fluid flows, considering surface tension forces and gravity. A main objective is to implement and evaluate the Signed Distance Preserving Level Set (SDPLS) method, as proposed by Fricke et al. [17]. Furthermore, the developed Level Set (LS) method is tested with various advection schemes on various mesh types, including hexahedral, perturbed hexahedral, and polyhedral meshes. Lastly, the LS method is coupled to the Navier-Stokes (NS) equations with the Continuum Surface Force (CSF) model proposed by Brackbill et al. [4] and the use of the geometrical phase indicator proposed by us [40], which does not rely on a signed distance property of the LS field. A segregated solver is implemented and validated through numerical studies of the 3D stationary droplet test case.

Diese Master Thesis präsentiert die Entwicklung und Anwendung einer Finite Volumen Level Set Methode zur Simulation von Zweiphasenströmungen auf unstrukturierten Gittern innerhalb des OpenFOAM Computational Fluid Dynamics (CFD)-Frameworks. Die vorgeschlagene Methode konzentriert sich auf inkompressible, nicht mischbare, nicht reaktive, isotherme Zweiphasenströmungen mit Newtonscher Fluiden, unter Wirkung von Oberflächenspannungskräften und Schwerkraft. Ein Hauptziel besteht darin, die Signed Distance Preserving Level Set (SDPLS)-Methode von von Fricke et al. [17] zu implementieren und zu untersuchen. Darüber hinaus wird die entwickelte Level Set (LS) Methode mit verschiedenen Advektionsschemata auf verschiedene Gittertypen getestet, einschließlich hexahedrischer, gestörter hexahedrischer und polyedrischer Gitter. Schließlich wird die LS Methode mit den Navier-Stokes (NS) Gleichungen gekoppelt unter Verwendung des Continuum Surface Force (CSF) Modells von Brackbill et al. [4] und des von uns vorgeschlagenen geometrischen Phasenindikators [40], der nicht auf einer vorzeichenbehafteten Distanzeigenschaft des LS Feldes beruht. Ein segregierter Solver wird implementiert und durch numerische Studien des Testfalls stationärer 3D-Tropfen validiert.